功能材料課件：第五章 生物醫(yī)用材料一 生物醫(yī)用金屬

1、第五章 生物醫(yī)用材料(一)生物醫(yī)用金屬主要內(nèi)容概述不銹鋼鈷基合金鈦合金一、概述醫(yī)用金屬材料不銹鋼手術(shù)刀柄 醫(yī)用陶瓷材料全瓷牙醫(yī)用高分子材料隱形眼鏡生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料金屬烤瓷牙生物醫(yī)用材料的概念生物醫(yī)用材料（Biomedical Materials）生物材料（Biomaterials）對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療和置換損壞的組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。它可以是人造的，也可以是天然的或者是它們相結(jié)合的功能材料。醫(yī)用金屬材料醫(yī)用高分子材料生物陶瓷材料生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料按材料組成和性質(zhì)近惰性生物醫(yī)學(xué)材料生物活性醫(yī)學(xué)材料可生物降解和吸收材料按材料在生理環(huán)境中的生物化學(xué)反應(yīng)水平生物醫(yī)用材料的分類(lèi)發(fā)展歷史公元前50

2、00年：古代人就嘗試用黃金修復(fù)失牙；公元前2500年：出現(xiàn)了假手，假鼻，假耳等人工假體20世紀(jì)30年代：工業(yè)生產(chǎn)醫(yī)用材料20世紀(jì)中后期：高分子工業(yè)推動(dòng)生物醫(yī)用材料的發(fā)展20世紀(jì)80年代后期：材料科學(xué)與現(xiàn)代生物技術(shù)相結(jié)合 發(fā)展可降解生物材料生物醫(yī)用材料的發(fā)展生物醫(yī)學(xué)材料與生物系統(tǒng)直接結(jié)合，會(huì)產(chǎn)生兩種反應(yīng)：1、材料反應(yīng)：活體系統(tǒng)對(duì)材料的作用稱(chēng)為材料反應(yīng)，即材料在生物活體中的響應(yīng)，主要是指材料在生理環(huán)境中被腐蝕、吸收、降解、磨損、失效等，從而使材料的功能特性發(fā)生改變，理化性質(zhì)發(fā)生退變，最后導(dǎo)致材料失效。生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)兩種反應(yīng)的結(jié)果可能導(dǎo)致機(jī)體的中毒和機(jī)體對(duì)材料的排斥2、宿主反應(yīng)：材料對(duì)活體系統(tǒng)的

3、作用成為宿主反應(yīng)。 通常是由于材料中的元素、分子或其它降解產(chǎn)物在生理環(huán)境下被釋放而進(jìn)入鄰近的生物組織和整個(gè)活體系統(tǒng)，也可能是源于材料制品對(duì)組織的機(jī)械、電化學(xué)或其它刺激作用?？赡馨l(fā)生的宿主反應(yīng)包括:局部反應(yīng)、全身毒性反應(yīng)、過(guò)敏反應(yīng)、致畸、致癌、致突反應(yīng)和適應(yīng)性反應(yīng)。生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)滿(mǎn)足以下基本條件： 生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)1、生物相容性對(duì)人體無(wú)毒、無(wú)刺激、無(wú)致畸、致敏、致突變或致癌作用；在體內(nèi)不被排斥，無(wú)炎癥，具有生物活性；無(wú)溶血，凝血反應(yīng)等。生物相容性是生物醫(yī)學(xué)材料區(qū)別于其它功能材料的最重要的特征。2、 化學(xué)穩(wěn)定性耐體液侵蝕、不產(chǎn)生有害降解物；不產(chǎn)生吸水膨潤(rùn)，軟化變質(zhì)；自身不變化等

4、。生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)3、力學(xué)條件具有足夠的靜態(tài)強(qiáng)度(如抗彎、抗壓、拉伸、剪切等)；具有適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ亢陀捕?具有耐疲勞、抗磨損、摩擦、潤(rùn)滑性能等。生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)滿(mǎn)足以下基本條件：4、其它要求良好的空隙度，體液及軟硬組織易于長(zhǎng)入；易加工成形，使用操作方便;熱穩(wěn)定性好，高溫消毒不變質(zhì)等性能。生物相容性血液相容性抗血小板血栓形成抗凝血性抗溶血性抗白細(xì)胞減少性抗補(bǔ)體系統(tǒng)亢進(jìn)性抗血漿蛋白吸附性抗細(xì)胞因子吸附性組織相容性細(xì)胞黏附性無(wú)抑制細(xì)胞生長(zhǎng)性細(xì)胞激活性抗細(xì)胞原生質(zhì)轉(zhuǎn)化性抗炎癥性無(wú)抗原性無(wú)誘變性無(wú)致癌性無(wú)致畸性生物相容性生物醫(yī)用金屬材料金屬作為醫(yī)學(xué)材料歷史悠久20世紀(jì)以來(lái)1920年代：不銹鋼作為治療骨折

5、用的材料開(kāi)始臨床應(yīng)用。 之后：鈷鉻合金作為牙科用材料得到發(fā)展；1950年代：鈦被首次引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；60年代：更廣泛的研究證實(shí)，鈦沒(méi)有副作用；1980年代：NiTi合金在醫(yī)學(xué)上得到應(yīng)用。1990年代末：可降解Mg合金開(kāi)始成為研究熱點(diǎn)生物醫(yī)用金屬材料主要的生物醫(yī)用金屬材料不銹鋼（Stainless steel）鈷基合金（Cobalt-based alloys）鈦及其合金（Ti and Ti alloys）鎳鈦合金（NiTi）貴金屬（noble metal）鎂合金（Mg and Mg alloys）生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用金屬材料需要注意的三個(gè)方面：生物相容性：耐腐蝕性：力學(xué)性能生物醫(yī)用金屬材料金屬

6、元素與人體金屬元素正常狀態(tài)性 質(zhì)Fe45g全身存在于紅細(xì)胞中。Co維生素B12組成元素純Co對(duì)骨組織有毒，高劑量致癌Cr2.8g/100g血液有毒、影響細(xì)胞活性、削弱DNA合成六價(jià)Cr致癌Mn1020mg全身細(xì)胞中必要元素Mo13ppm肝臟對(duì)特定酶是必須的。高劑量有毒Ni20mg/L-血液對(duì)有限的生物活性是必須的，高劑量有毒可能致癌Ag在人體中非惰性，抑制和殺菌作用強(qiáng)Ti無(wú)正常功能，不致癌Al導(dǎo)致骨質(zhì)疏松和神經(jīng)紊亂V有毒生物醫(yī)用金屬材料一些金屬材料的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)金屬元素的耐腐蝕性能金屬金屬離子標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)（V）金屬金屬離子標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)（V）Au Au +1.68Ni Ni 2+-0.25PtPt2+1.2

7、Co Co 2+ -0.28Pd Pd 2+0.99Fe Fe 2+ -0.44Ag Ag+0.8Cr Cr 2+ -0.74Cu Cu2+0.34Al Al 3+ -1.66H H+0Ti Ti 3+ -2.00Mg Mg 2+ -2.36生物醫(yī)用金屬材料常用植入物的力學(xué)性能醫(yī)用不銹鋼不銹鋼不銹鋼按其顯微組織的特點(diǎn)可分為馬氏體不銹鋼（耐蝕性最差）奧氏體不銹鋼（耐蝕性最好）鐵素體不銹鋼雙相（奧氏體-鐵素體）不銹鋼沉淀硬化型不銹鋼不銹鋼：1、含鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%以上，具有耐蝕性能的鐵基合金。2、具有抵抗大氣、酸、堿、鹽等腐蝕作用的合金鋼的總稱(chēng)。不銹鋼鐵素體和馬氏體不銹鋼鐵素體不銹鋼特點(diǎn)：硬度高、

8、脆性大、韌性低、鐵磁性、耐鹽類(lèi)侵蝕差馬氏體不銹鋼特點(diǎn)：是最硬的鋼類(lèi)，延展性和韌性低。 植入材料只有具備了適當(dāng)?shù)难诱剐?、韌性才能與生物體相匹配。鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼不適合植入適合做醫(yī)療器械：如刀、剪、制血鉗、針頭等的材料主要是3Cr13和4Cr13。不銹鋼合金元素Cr+ O2 Cr2O3Cr不銹鋼O2不銹鋼Cr2O3O2鉻對(duì)不銹鋼耐蝕性和抗氧化性能的影響鉻是目前使鋼鈍化并賦予良好耐蝕性和不銹性的唯一有使用價(jià)值的元素。隨著鋼中鉻含量的增加，耐腐蝕性能提高，引起耐蝕性突變的鉻含量約12%。鉻很容易與氧氣反應(yīng)形成致密、均勻、破壞后可以自修復(fù)的氧化鉻膜，阻止外部粒子例如O2，Cl-對(duì)不銹鋼基體的進(jìn)

9、一步腐蝕，阻止內(nèi)部元素向生物體擴(kuò)散。不銹鋼鐵素體和馬氏體不銹鋼不銹鋼藥膏調(diào)刀 不銹鋼持針鉗 不銹鋼針頭 CCCrCrCr23C6High risk of corrosion when Cr drops down to less then 9% at the boundary不銹鋼合金元素碳化物 (Cr23C6)的危害A.在晶界處阻止鉻氧化膜形成B.碳化物與鉻氧化膜存在電位差C.在晶界處存在應(yīng)力集中，加速腐蝕碳的影響碳是除鉻外的另一重要元素，它是奧氏體形成元素，形成奧氏體的能力為鎳的30倍。奧氏體不銹鋼要特別控制碳的含量，能夠提高不銹鋼在體液中的抗腐蝕能力。碳對(duì)鋼的耐蝕性是不利因素，這是由于碳和

10、鉻形成碳化物(Cr23C6)奪取了鋼中的鉻，使鋼的耐蝕性下降。不銹鋼醫(yī)用不銹鋼合金元素鎳：奧氏體不銹鋼的主要元素，主要作用是形成并穩(wěn)定奧氏體，從而使鋼具有良好的強(qiáng)度和塑性、韌性的配合，并具有優(yōu)良的冷、熱加工性和冷形成性以及焊接、低溫與無(wú)磁等性能，同時(shí)提高熱力學(xué)穩(wěn)定性、不銹性和耐氧化性。鈦：有顯著的時(shí)效強(qiáng)化作用，但含量過(guò)高將降低鋼的沖擊韌性和塑性。鉬：鐵素體形成元素，促進(jìn)相形成能力相當(dāng)于鉻。并且能改善鋼的耐蝕性，提高鋼的強(qiáng)度和硬度，含量1%。醫(yī)用不銹鋼鐵素體和馬氏體不銹鋼不銹鋼藥膏調(diào)刀 不銹鋼持針鉗 不銹鋼針頭 奧氏體型不銹鋼：鎳含量足夠多，使鋼在室溫下也具有奧氏體組織。消耗量在所有不銹鋼中約占

11、70。 奧氏體不銹鋼是作為醫(yī)用金屬植入材料最重要的鋼類(lèi)按照維持合金奧氏體基體所采取的合金化方式，奧氏體不銹鋼可分為鉻鎳不銹鋼和鉻錳不銹鋼。鐵、鉻和鎳是鉻鎳奧氏體不銹鋼的三大基礎(chǔ)元素，加入適量錳和氮，同時(shí)將鎳含量降低乃至完全取消也能保持合金基體在室溫下呈完全奧氏體組織。醫(yī)用不銹鋼奧氏體型不銹鋼 醫(yī)用不銹鋼奧氏體型不銹鋼在316不銹鋼中，除具有普通奧氏體鋼所含的元素Cr和Ni外，還含有Mo元素。鉬的主要作用 提高鋼在還原性介質(zhì)（比如H2SO4，HCl以及一些有機(jī)酸和尿素環(huán)境）的耐蝕性，并提高鋼的耐點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕等性能。鉬對(duì)組織的影響 鉬和鉻都是形成和穩(wěn)定鐵素體并擴(kuò)大鐵素體相區(qū)的元素，鉬還促進(jìn)奧氏體

12、不銹鋼中金屬間相，比如相、相和Laves相等的沉淀。 作為醫(yī)用金屬常用的有奧氏體不銹鋼主要有：316不銹鋼（0Cr17Ni12Mo2 ）316L不銹鋼（00Cr17Ni14Mo2 ） 316系列不銹鋼的力學(xué)性能醫(yī)用不銹鋼奧氏體型不銹鋼316和316L不銹鋼特點(diǎn)：很好的抗短期腐蝕能力 ；良好的延展性和持久性；通過(guò)冷加工可以改善力學(xué)性能；引入更多 的缺陷能改進(jìn)在生理環(huán)境中的應(yīng)用；便宜易得。醫(yī)用不銹鋼奧氏體型不銹鋼長(zhǎng)期在含氯鹽液體中服役會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕，因此不適合長(zhǎng)期在生物體中服役；雖然不銹鋼強(qiáng)度大，但其密度也大，其強(qiáng)度質(zhì)量比不如其他醫(yī)用金屬材料；生物相容性不太理想。作為植入材料缺點(diǎn)：奧氏體不銹鋼的應(yīng)用

13、自從上世紀(jì)20年代以來(lái)， 奧氏體不銹鋼長(zhǎng)期以來(lái)在醫(yī)療上有廣泛的應(yīng)用。在骨科方面： 用來(lái)制作各種人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器，如人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)等。在口腔科方面： 常用于鑲牙、矯形和牙根種植等 各種器件的制作，如牙冠、固定支架、正畸絲等。在心血管方面： 常用于傳感器的外殼與導(dǎo)線(xiàn)、介入性治療導(dǎo)絲與血管內(nèi)支架等。醫(yī)用不銹鋼奧氏體型不銹鋼管腔支架治療冠狀動(dòng)脈狹窄三、鈷基合金 20世紀(jì)50年代以后，人們認(rèn)識(shí)到在生體環(huán)境中，鈷基合金比不銹鋼的耐蝕性更優(yōu)越，于是鈷基合金逐漸取代不銹鋼的地位。鈷鉻合金25 %(wt %) 鉻和 75 % 鈷，因?yàn)檫@類(lèi)合金有很高的抗腐蝕能力，抗氧化能力和耐磨損性能，又被稱(chēng)為

14、“STELLITE”，即金屬中的“明星”。鈷基合金（Co-Cr）鈷基合金（Co-Cr）Co-Cr相圖Co-Cr合金中的合金元素Cr：抗腐蝕能力，固溶強(qiáng)化Mo：晶粒細(xì)化、固溶強(qiáng)化W：提高延展性、加工性能Ni：增強(qiáng)強(qiáng)度、延展性三、鈷基合金（Co-Cr）鈷鉻合金和不銹鋼性能比較UTS（Ultimate Tensile Strength）：極限抗拉強(qiáng)度Tensile Elongation :拉伸率三、鈷基合金（Co-Cr）1）鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好；2）摩擦系數(shù)小，耐磨性是所有金屬醫(yī)用材料中最好的。3）高密度和彈性模量缺點(diǎn)：價(jià)格高，生產(chǎn)加工條件苛刻鈷基合金的應(yīng)用 相對(duì)不銹鋼而言，鈷基合金更適合用于體

15、內(nèi)承載苛刻條件的長(zhǎng)期植入件。主要應(yīng)用于口腔科，固定器械，人工關(guān)節(jié)等。 四類(lèi)Co-基合金作為外科植入應(yīng)用： (1) 鑄造的CoCrMo合金(F76) (2) 鍛造的CoCrWNi合金(F90) (3) 鍛造的CoNiCrMo合金(F562) (4) 鍛造的CoNiCrMoWFe合金(F563)三、鈷基合金（Co-Cr）鈷基合金（Co-Cr）鈷基合金（Co-Cr）牙科植入物鈷基合金（Co-Cr）人工心臟瓣膜四、鈦合金原子序數(shù)22，相對(duì)原子量47.9，原子半徑0.145nm。鈦的物理性質(zhì)密度4.51g/cm3 ，只相當(dāng)于鋼的57%，屬于輕金屬。導(dǎo)電性差，熱導(dǎo)率和線(xiàn)膨脹系數(shù)均較低，熱導(dǎo)率只有鐵的1/4

16、，只有銅的1/7；0.49K出現(xiàn)超導(dǎo)性。鈦無(wú)磁性，在很強(qiáng)的磁場(chǎng)下也不會(huì)磁化（用鈦制人造骨和關(guān)節(jié)植入人體內(nèi)不會(huì)受雷雨天氣的影響）熔點(diǎn)16685，屬于難熔金屬。平衡電位低-1.63V，活潑金屬，在介質(zhì)中的熱力學(xué)腐蝕傾向大。鈦的化學(xué)性能鈦和氧的親和力高，易形成高化學(xué)穩(wěn)定的致密氧化膜，所以在氧化性、中性和弱還原性介質(zhì)中耐腐蝕；在淡水和海水中抗蝕性?xún)?yōu)于鋁合金、不銹鋼和鎳基合金。無(wú)毒，生物相容性好。一、鈦合金的特點(diǎn)鈦有兩種同素異構(gòu)體，-Ti在882 以下穩(wěn)定， 密排六方晶格（hcp）； -Ti在882 與熔點(diǎn)1678 之間穩(wěn)定存在，體心立方晶格（bbc）。穩(wěn)定元素：提高轉(zhuǎn)變溫度的元素： Al/ C、N、O

17、鈦合金的特點(diǎn)合金元素的作用穩(wěn)定元素：降低 轉(zhuǎn)變溫度的元素： Zr、Mo、Nb、Ta、V/ Mn、Fe、Cr、Si、Cu/ H對(duì)鈦的元素轉(zhuǎn)變溫度影響不明顯的元素： Sn、Mg、La、Ce-鈦合金-鈦合金+ 鈦合金高溫性能好組織穩(wěn)定焊接性能好常溫強(qiáng)度低塑性不夠高常溫強(qiáng)度好塑性加工性能好組織不穩(wěn)定冶金工藝復(fù)雜綜合力學(xué)性能好強(qiáng)度高焊接性能好塑性高中等溫度組織不穩(wěn)定鈦合金的分類(lèi)第一代：商業(yè)純鈦和Ti6Al4V合金第二代： Ti5Al2.5Fe和Ti6Al7Nb合金第三代：Ti13Nb13Zr和Ti-12Mo-6Zr-2Fe合金生物醫(yī)用Ti合金第一代生物醫(yī)用鈦合金20世紀(jì)50年代初, 英國(guó)和美國(guó)首先將商業(yè)

18、純鈦用于制造接骨板、螺釘、髓內(nèi)釘和骸關(guān)節(jié)。隨著臨床研究發(fā)現(xiàn)，純鈦存在著明顯的強(qiáng)度、剛度不足的問(wèn)題。為避免內(nèi)固定植入物的斷裂失效, 采用高強(qiáng)度Ti6Al4V合金及高損傷容限型Ti6Al4V-ELI合金替代純鈦材料，目前80以上的鈦合金植入物產(chǎn)品仍在使用這種合金。 但是V元素可引起惡性組織反應(yīng), 對(duì)人體產(chǎn)生毒副作用 。純鈦純鈦是型鈦合金純鈦鈦的力學(xué)性能：屈強(qiáng)比高，即屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度接近；彈性模量小，約為Fe的54%。在高溫（550600）可以保持高比強(qiáng)。工業(yè)純鈦（99.5%）比高純鈦（99.9%）強(qiáng)度高、塑性低。Ti6Al4V合金 + 型Al ：Al是唯一穩(wěn)定元素，同時(shí)是最主要的強(qiáng)化元素，固溶強(qiáng)

19、化作用顯著。隨Al量的增加，合金的強(qiáng)度提高，而塑性無(wú)明顯降低，當(dāng)Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)7%后，由于組織中出現(xiàn)脆性的Ti3Al化合物，使塑性顯著降低，故其質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)7% V： 釩與 鈦屬于同晶元素，具有穩(wěn)定化作用。釩在 鈦中無(wú)限固溶， 而在-Ti中也有一定的固溶度。釩具有顯著的固溶強(qiáng)化作用，提高合金強(qiáng)度同時(shí)，能保持良好的塑性，還能提高鈦合金的熱穩(wěn)定性。Ti6Al4V合金20世紀(jì)80年代以來(lái), 德國(guó)和瑞士的生物材料學(xué)家先后研制出不含V的Ti5Al2.5Fe和Ti6Al7Nb合金，并更為成功地實(shí)現(xiàn)了臨床應(yīng)用 。Ti5Al2.5Fe和Ti6Al7Nb合金的力學(xué)性能和Ti6Al4V合金相近，并具有較好的生物相容性和耐腐蝕性能。但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)Al能引起骨質(zhì)疏松和精神紊亂等病癥 。第二代生物醫(yī)